Лаборатория создана в 1951 г. под руководством проф. Л. Т. Загорулько. В 1960–1987 гг. лабораторию возглавлял проф. В. Д. Глезер, а с 1988 г. ею руководит проф. Ю. Е. Шелепин.

Основное направление работ лаборатории заключается в комплексном исследовании физиологических механизмов и моделировании основных алгоритмов обработки в зрительном анализаторе пространственно-временной информации об окружающем мире.

В 1950-х гг. исследования лаборатории были направлены на изучение моторных компонентов зрения: зрачковой, конвергенционной и аккомодационной реакции, фиксационных скачков глаз, а также было начато исследование механизмов переработки информации в зрительном анализаторе. В 1960-е гг. лабораторией была предложена и развита модель параллельных каналов зрительной системы, обеспечивающих переработку различной информации об объекте. В 1970-е гг. развита модель локального Фурье-преобразования в рецептивных полях зрительной коры. Эти работы имели важное значение для развития систем цифрового телевидения, разработки алгоритмов сжатия видеоинформации. В 1980–1990 гг. создана модель инвариантного описания формы изображений системой модулей зрительной коры, проведены исследования зрения как конкретного предметного мышления и моделирование алгоритмов описания зрительного мира в нейронных сетях.

В 1990-е гг. начато изучение взаимосвязи оптических и информационных свойств изображения и алгоритмов восприятия натуральных сцен, факторов, ограничивающих восприятие информации об окружающем мире, и условий возникновения иллюзий и галлюцинаций. Исследованы алгоритмы сегментации зрительной сцены и выделения объекта из фона, механизмы обнаружения объектов на фоне флуктуирующей помехи, механизмы контрастной чувствительности зрительной системы человека в норме и при патологии. Развита модель согласованной фильтрации в зрительной системе человека. Создана система тестов для клинической диагностики поражений зрительного анализатора, для оценки зрения грудных детей, для профессионального отбора. Разработаны стандарты работы с дисплеями. Новые методы измерения контрастной чувствительности (визоконтрастометрия), остроты зрения, методы измерения уровня внутреннего шума зрительного анализатора стали достоянием офтальмологических учреждений.

Соответствующее аппаратно-программное обеспечение позволяет лаборатории проводить психофизические, психофизиологические, эргономические и нейроофтальмологические исследования. Кроме фундаментальных проблем физиологии зрения, лаборатория совместно с рядом отечественных и зарубежных организаций (Институт телевидения, Государственный оптический институт, Военно-медицинская академия, фирма «Филипс», Европейское бюро ВВС США) принимает активное участие в решении практических задач техники – информационные технологии, метрология, авиационная и космическая техника, наземный транспорт; и медицины – офтальмология, неврология, психиатрия.

В последние годы лаборатория в содружестве с Университетом аэрокосмического приборостроения, Военно-медицинской академией, Кембриджским и Санкт-Петербургским университетами, с лабораториями Института физиологии им. И. П. Павлова РАН продолжает междисциплинарные исследования в области когнитивной психологии, помехоустойчивости зрительной системы, взаимодействия различных областей мозга в процессе восприятия, архитектуры бинокулярной зрительной системы.

На базе лаборатории работает межведомственный семинар «Физиология зрения и иконика», участниками которого являются ученые практически всех лидирующих в этой области лабораторий мира.